(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
該第１電極上に形成された下部絶縁膜と、
該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、
該上部絶縁膜上に形成された第２電極と、
を備えた超音波トランスデューサであって、
前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、
前記突起の形成された位置に相当する前記第１電極又は第２電極には、開口部が形成されており、
少なくとも前記上部絶縁膜と前記第２電極からなるメンブレンの中央部に相当する前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に第１の突起が形成され、前記第１の突起と前記空洞部のエッジとの間に第２の突起が形成されており、
前記第２の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第１の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されており、
前記第２の突起と前記空洞部のエッジとの間に第３の突起が形成されており、
前記第３の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分よりも前記第１の突起側にずれた位置に形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起と前記第２の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合において、前記第１の突起と前記第２の突起の中点にさらに第４の突起が形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】
請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
超音波トランスデューサがアレイ状に配置され、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項４】
複数の超音波トランスデューサが配列したトランスデューサアレイであって、
前記超音波トランスデューサが、請求項１に記載の超音波トランスデューサであることを特徴とするトランスデューサアレイ。
【請求項５】
請求項４に記載のトランスデューサアレイであって、
超音波トランスデューサの配列方向は直交する２次元方向であり、一方の方向に配列した各超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とするトランスデューサアレイ。
【請求項６】
被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される超音波受信信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置であって、
前記超音波探触子は、
第１電極と、該第１電極上に形成された下部絶縁膜と、該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、該上部絶縁膜上に形成された第２電極と、を備え、前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、前記突起の形成された位置に相当する前記第１電極又は第２電極には、開口部が形成されており、
前記第１の突起と前記空洞部のエッジとの間に第２の突起が形成されており、
前記第２の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第１の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されており、
前記第２の突起と前記空洞部のエッジとの間に第３の突起が形成されており、
前記第３の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分よりも前記第１の突起側にずれた位置に形成されている超音波トランスデューサであることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波診断装置において、
前記超音波トランスデューサは、
前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起と前記第２の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合において、前記第１の突起と前記第２の突起の中点にさらに第４の突起が形成されていることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項６記載の超音波診断装置において、
超音波トランスデューサがアレイ状に配置され、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサ、および、それを用いた超音波診断装置に関するものである。特に、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  System）技術により製造した超音波トランスデューサと、それを用いた超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは超音波を送信、受信することにより、人体内の腫瘍などを診断する装置や、構造物を非破壊検査する装置などに用いられている。【０００３】
これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive  Micromachined  Ultrasonic  Transducer）が開発され、実用化を目指して盛んに研究されている。【０００４】
例えば、米国特許第６３２０２３９Ｂ１号明細書（特許文献１）には、単体のＣＭＵＴとアレイ状に配置したＣＭＵＴが開示されている。【０００５】
また、米国特許第６５７１４４５Ｂ２号明細書（特許文献２）および米国特許第６５６２６５０Ｂ２号明細書（特許文献３）には、シリコン基板上に形成された信号処理回路の上層にＣＭＵＴを形成する技術が開示されている。【０００６】
また、米国特許第２００５−０２２８２８５Ａ１号明細書（特許文献４）および米国特許２００７−０２６４７３２Ａ１号明細書（特許文献５）には、空洞部に突き出た突起をもった構造のＣＭＵＴが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３２０２３９Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６５７１４４５Ｂ２号明細書
【特許文献３】米国特許第６５６２６５０Ｂ２号明細書
【特許文献４】米国特許第２００５−０２２８２８５Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第２００７−０２６４７３２Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の圧電体を用いたトランスデューサと比較して、ＣＭＵＴは、使用できる超音波の周波数帯域が広い、あるいは高感度であるなどの利点がある。また、ＬＳＩ加工技術を用いて作製するので微細加工が可能である。特に、超音波素子をアレイ状に並べて、それぞれの素子を独立に制御を行う場合には、ＣＭＵＴは必須となると考えられる。何故ならば、各素子への配線が必要になり、アレイ内の配線数は膨大な数になることが考えられるが、ＣＭＵＴはＬＳＩ加工技術を用いて作製するので、それらの配線が容易であるからである。さらには超音波送受信部からの信号処理回路の１チップへの混載も、ＣＭＵＴでは可能だからである。【０００９】
図１を用いて、ＣＭＵＴの基本的な構造および動作を説明する。下部電極１０１の上層に絶縁膜１０３に囲まれた空洞部１０２が形成されている。空洞部１０２上には絶縁膜１０３を介して上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、空洞部１０２上の絶縁膜１０３と上部電極１０４で構成されるメンブレン１０５が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波を発信する。【００１０】
逆に、受信の場合は、メンブレン１０５の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０５が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、容量の変化として超音波を検出できる。【００１１】
上記動作原理からも明らかであるが、電極間の電圧印加に起因する静電力によるメンブレンの振動と、振動による電極間の容量変化を利用して超音波の発信および受信を行うので、電極間の電圧差の安定性が、安定した動作やデバイスの信頼性向上には重要な点となる。【００１２】
上記動作原理では、上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧を印加することにより、両電極間に静電力が働き、メンブレンは変形し、変形したことによるバネ復元力と静電力が釣合う変形量でメンブレンは安定する。【００１３】
通常は、電極間の静電力とメンブレンのバネ復元力が釣合う直流電圧で駆動を行うが、メンブレンの変形量が電極間隔の約３分の１となるようなカラプス電圧と呼ばれる電圧よりも大きな直流電圧を印加すると、電極間の静電力がメンブレンのバネ復元力よりも大きくなり、メンブレンが一定位置に安定することができず、メンブレンの下面１０６が空洞部の下面１０７に接触することになる。接触すると、絶縁膜１０３は上部電極と下部電極に挟まれる構造となり、両電極から電荷が注入され、膜中の固定電荷となる。再度、両電極間に直流電圧を印加しても、絶縁膜中の固定電荷に電極間の電界が遮られ、ＣＭＵＴを最適に使用する電圧が変動することになる。したがって、前記特許文献１や特許文献２、特許文献３に開示されたＣＭＵＴでは、メンブレンの下面が、空洞部下面に接触することを防止するために、通常、カラプス電圧よりもかなり低い電圧で使用することとなる。【００１４】
しかし、送受信の感度を向上するためには、ＣＭＵＴ使用中の両電極の間隔をできるだけ狭くする必要があり、したがって両電極間に印加する電圧をカラプス電圧にできるだけ近くすることが重要である。【００１５】
また、超音波の送信音圧を向上するためには、メンブレン１０５の振幅を最大限にすることが望ましい。しかし、振動中に、メンブレンの下面１０６が空洞部の下面１０７に接触し、絶縁膜へ電荷が注入することを防止するために、直流電圧に重畳する交流電圧も、メンブレンの下面が、下部電極や空洞部下の絶縁膜に接触する電圧よりもかなり低い電圧に設定する必要がある。【００１６】
前記特許文献４では、ＣＭＵＴの空洞部に突き出た絶縁膜の突起を形成し、カラプス電圧以上の直流電圧や、交流電圧を印加した場合でも、突起が支柱となり、突起の下面を除いたメンブレン下面が空洞部下面に接触しない構造が示されている。しかし、突起部は上下電極に挟まれた構造となるために、突起部の絶縁膜への電荷蓄積は免れない。【００１７】
一方、前記特許文献５では、空洞部へ突き出た絶縁膜の突起は、上下電極に挟まれない構造となっているため、突起の下面が空洞部下面に接触した場合でも、突起部の絶縁膜への電荷蓄積は回避できる。しかし、突起を多数配置すると、その分、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、上記ＣＭＵＴの動作原理からも明らかであるが、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を招くことになる。この状況を図２に模式的に示す。図２（ａ）は、空洞部１０２に突き出た絶縁膜の突起を配置した場合の突起配置を上面から見た模式図である。空洞部は上面から見て矩形状をしており、その上部のメンブレンの中心に配置した絶縁膜の突起１０８と、さらにその両側に突起を配置していった場合のｎ個目の絶縁膜の突起１０９と、ｎ＋２個目の絶縁膜の突起１１０、ｎ＋４個目の絶縁膜の突起１１１の位置を抜き出して示している。空洞部１０２は矩形状であるので、電圧によるメンブレンの変形はメンブレン中心の突起１０８に対して対称になり、突起を配置していく場合は、突起数を２個づつ増やしていくことになる。突起の配置数をｎ個からｎ＋２個、ｎ＋４個と増加させると、突起の下面を除いたメンブレン下面が空洞部下面に接触する電圧は上昇し、上下電極間の重なり部の面積は減少する。その様子を模式的に示したのが図２（ｂ）である。図２（ｂ）において、超音波診断に必要な超音波の送受感度、送信音圧を得るためのＣＭＵＴの駆動電圧がＸボルトである場合、突起数ｎ個では、メンブレン振動時に、突起の下面を除いたメンブレン下面が空洞部下面に接触してしまい、絶縁膜への電荷蓄積は免れない。しかし、突起を無制限に配置すると、上下電極間の重なり部の面積は減少していき、受信感度が低くなってしまう。この場合、ｎ＋２個の突起を配置すれば、駆動電圧により、ｎ＋２個の突起の下面は空洞部下面に接触するものの、それらが支柱となり、突起の下面を除いたメンブレン下面が空洞部下面に接触することはなく、絶縁膜への電荷蓄積を抑制でき、また、上下電極の重なり部の面積の減少も抑制できることになる。【００１８】
以上のことから、本発明の目的は、ＣＭＵＴにおいて、空洞部に突き出た絶縁膜の突起を配置する場合、突起の配置位置と数を決定する方法、その配置方法により作製した絶縁膜の突起を持つ超音波トランスデューサと、それを用いた超音波診断装置を提供することである。【００１９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。【００２１】
本発明における超音波トランスデューサは、第１電極と、該第１電極上に形成された下部絶縁膜と、該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、該上部絶縁膜上に形成された第２電極と、を備えた超音波トランスデューサであって、前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、前記突起の形成された位置に相当する前記第１電極又は第２電極には、開口部が形成されていることを特徴とする。【００２２】
又、本発明における超音波トランスデューサは、少なくとも前記上部絶縁膜と前記第２電極からなるメンブレンの中央部に相当する前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に第１の突起が形成されていることを特徴とする。【００２３】
又、本発明における超音波トランスデューサは、前記第１の突起と前記空洞部のエッジとの間に第２の突起が形成されており、この第２の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第１の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されていることを特徴とする。【００２４】
又、本発明における超音波トランスデューサは、前記第２の突起と前記空洞部のエッジとの間に第３の突起が形成されており、この第３の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
又、本発明における超音波トランスデューサは、前記第２の突起と前記空洞部のエッジとの間に第３の突起が形成されており、この第３の突起は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分よりも前記第１の突起側にずれた位置に形成されていることを特徴とする。
【００２６】
又、本発明における超音波トランスデューサは、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起と前記第２の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合において、前記第１の突起と前記第２の突起の中点にさらに第３の突起が形成されていることを特徴とする。【００２７】
又、本発明における超音波トランスデューサアレイは、超音波トランスデューサがアレイ状に配置されたものであり、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とする。【００２８】
さらに、本発明における超音波診断装置は、被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される超音波受信信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置であって、前記超音波探触子は、第１電極と、該第１電極上に形成された下部絶縁膜と、該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、該上部絶縁膜上に形成された第２電極と、を備え、前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、前記突起の形成された位置に相当する前記第１電極又は第２電極には、開口部が形成されている超音波トランスデューサであることを特徴とする。【００２９】
又、本発明の超音波診断装置は、少なくとも前記上部絶縁膜と前記第２電極からなるメンブレンの中央部に相当する前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に第１の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする。【００３０】
又、本発明の超音波診断装置は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第１の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合には、該接触する部分に第２の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする。【００３１】
又、本発明の超音波診断装置は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合には、該接触する部分に第３の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする。【００３２】
又、本発明の超音波診断装置は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第２の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合には、該接触する部分よりも前記第１の突起側にずれた位置に第３の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする。【００３３】
又、本発明の超音波診断装置は、前記第１電極と第２電極に印加する駆動電圧により、前記第１の突起と前記第２の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合には、前記第１の突起と前記第２の突起の中点にさらに第３の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする。【００３４】
又、本発明の超音波診断装置は、超音波トランスデューサがアレイ状に配置され、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっている超音波トランスデューサアレイを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００３６】
本発明によれば、メンブレン下面の空洞部下面への接触による絶縁膜への電荷注入を抑制するために、空洞部に突き出た絶縁膜の突起を配置する場合に、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を抑制するための好適な突起配置構造を持つ超音波トランスデューサと、それを用いた超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明者らが検討した超音波トランスデューサの断面図である。
【図２】（ａ）は空洞部に突起を配置した場合の突起配置を上面から見た模式図であり、（ｂ）は突起の配置数と、上下電極間の重なり面積との関係、および、突起部を除いたメンブレン下面が空洞部下面に接触する電圧（接触電圧）との関係を示した模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて６角形の場合である。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。
【図５】（ａ）は図３のＣ−Ｃ’線で切断した断面であり、ＣＭＵＴを駆動する電圧が印加されていない状態、（ｂ）は図３のＣ−Ｃ’線で切断した断面で、突起２０６２、２０６３が配置されておらず、突起２０６１のみ配置した場合に、超音波診断装置によりＣＭＵＴ駆動が駆動され、突起２０６１が空洞部の下面２１４に接触し、さらにメンブレンの下面２１５が空洞部の下面２１４に接触している状態を示している。
【図６】突起の配置位置ｄ1と、突起長さｐ、空洞部の厚さｇ、および、メンブレンの中央と空洞部のエッジまでの距離ｄ0との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて矩形の場合である。
【図８】図７のＡ−Ａ’線で切断した断面であり、ＣＭＵＴを駆動する電圧が印加されていない状態である。
【図９】本発明の実施の形態１において、絶縁膜の突起を配置する場合の配置要否判断フローを示した図である。
【図１０】図７のＡ−Ａ’線で切断した断面で、絶縁膜の突起の長さが異なる場合を示したものであり、（ａ）はＣＭＵＴを駆動する電圧が印加されていない状態であり、（ｂ）はＣＭＵＴを駆動する電圧が印加されていて、絶縁膜の突起が空洞下面に接触している状態である。
【図１１】本発明の実施の形態２における超音波トランスデューサをアレイ状に配置した  チップの上面図である。
【図１２】本発明の超音波診断装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３９】
以下の実施の形態においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００４０】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００４１】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００４２】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００４３】
なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。
【００４４】
＜超音波トランスデューサ＞
下記の実施の形態の記載では、空洞部に突き出た絶縁膜の突起が好適に配置された超音波トランスデューサを作製するという目的を、超音波診断装置による超音波トランスデューサの駆動電圧と、メンブレン下面が空洞部下面に接触する電圧との大小関係で、突起の配置位置と配置の要否を決定することで実現している。
【００４５】
＜＜実施の形態１＞＞
本実施の形態１における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）の構造を図３および図４を参照して説明する。図３は、本実施の形態１における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を示した上面図である。図４（ａ）は図３のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図４（ｂ）は図３のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。
【００４６】
図３では、１つのＣＭＵＴセルを示している。ＣＭＵＴセルは、下部電極２０２と、下部電極２０２上に形成された空洞部２０４と、空洞部２０４に突き出て形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜の突起２０６と、空洞部２０４上に形成された上部電極２０７などを備えて構成される。２１１は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔２１１は、空洞部２０４となる空間に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０７へ接続する開口部である。上部電極２０７と空洞部２０４の間に、空洞部２０４と下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０５が形成されており、下部電極２０２と空洞部２０４の間に、下部電極を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されているが、図３では、空洞部２０４、下部電極２０２を示すためにこれら絶縁膜は示していない。２０８は、上面からみて、上部電極２０７が突起２０６と重ならないように、上部電極２０７に設けた開口部である。上部電極２０７に開口部を設けることにより、絶縁膜である突起への電荷蓄積を防止できる。
【００４７】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、半導体基板２００に形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜２０１上にＣＭＵＴの下部電極２０２が形成されている。下部電極２０２の上層にはシリコン酸化膜による絶縁膜２０３を介して空洞部２０４が形成されている。空洞部２０４を囲むようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０５を形成し、絶縁膜２０５の上層に上部電極２０７が形成されている。絶縁膜２０５の下面にはシリコン酸化膜による突起２０６が空洞部２０４に突き出るように形成されており、突起２０６の上層の上部電極２０７には開口部２０８が形成されている。上部電極２０７の上層にはシリコン窒化膜による絶縁膜２０９と絶縁膜２１０が形成されている。また、絶縁膜２０５および絶縁膜２０９にはこれらの膜を貫通するウェットエッチング孔２１１が形成されている。このウェットエッチング孔２１１は、空洞部２０４を形成するために形成されたものであり、空洞部２０４の形成後、絶縁膜２１０によって埋め込まれている。
【００４８】
図３、図４に示すＣＭＵＴでは、突起を、上面から見てメンブレンの中央に１個、メンブレンの中央から空洞部のエッジに向かい、６角形の対角線上に２個配置しており、この突起配置は、図５、図６を用いて説明する方法により行われる。
【００４９】
図５（ａ）は、図３のＣ−Ｃ’線で切断した断面図である。超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動のための電圧が印加されていない状態を示してあり、下部電極２０２、下部絶縁膜２０３、空洞部２０４、上部絶縁膜２０５と突起２０６および上部電極２０７を抜き出して示した図である。絶縁膜の突起２０６は、上面から見て、メンブレンの中心（Ｃ−Ｃ’断面のＣ側）から、空洞部のエッジ（Ｃ−Ｃ’断面のＣ’側）に沿って、それぞれ、２０６１、２０６２、２０６３と番号付けをしてある。
【００５０】
図５（ｂ）は図５（ａ）の突起２０６２、２０６３が配置されておらず、突起２０６１のみ配置した場合に、超音波診断装置によりＣＭＵＴが駆動され、突起２０６１の下面が空洞部の下面２１４に接触し、さらに突起の下面を除いたメンブレンの下面２１５が空洞部の下面２１４に接触している状態を示している。
【００５１】
図５（ａ）に示す突起の配置を行う手法は以下のとおりである。
この手法では、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧Ｖ0と、メンブレン下面が空洞部の下面に接触する電圧Ｖとを比較する。電圧Ｖは、対象とするメンブレンのサイズの変化によって変化するものであり、ＣＭＵＴの設計段階で例えば有限要素法（ＦＥＭ：Finite  Element  Method）を用いたシミュレーションを行うことにより決定できる。また、試作デバイスについて印加電圧−静電容量測定を行うことにより決定してもよい。設計段階で電圧Ｖを求めることができ、突起の配置位置を決定できるという点で前者が好適である。
まず、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧Ｖ0が、メンブレン中央部のメンブレンの下面２１５が空洞部の下面２１４に接触する電圧Ｖ1と等しいかそれより大きく、駆動電圧によって、下面２１５が空洞部の下面２１４に接触する場合は、メンブレン中央部に突起２０６１を配置する。
【００５２】
さらに、図５（ｂ）で示すように、メンブレン中央部の突起２０６１と、空洞部のエッジで支えられたメンブレンにおいて、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧Ｖ0がメンブレン下面が空洞部の下面に接触する電圧Ｖ2と等しいかそれより大きく、駆動電圧Ｖ0により、メンブレンの下面２１５が、空洞部下面に接触する場合は、接触部４０１に突起２０６２を配置する。突起の配置位置、すなわち、メンブレン中央部の突起２０６１からメンブレン下面と空洞部下面が接触する位置ｘは、その位置ｘにおけるメンブレンのバネ反発力と電極間での静電引力の大小により決定される。バネ反発力は、接触位置のメンブレンのバネ常数とメンブレンの変位量で決定され、静電引力は、位置ｘにおける電極間距離と電極面積により決定され、シミュレーションにより求めることができる。
【００５３】
シミュレーションに基づき、中央部の突起２０６１から接触部４０１までの距離、つまり第２の突起２０６２を配置すべき位置ｄ１と、空洞部の厚さｇ、メンブレンの中央部から空洞部のエッジまでの距離ｄ０、および、突起の長さｐとの関係を求めたグラフを図６に示す。図６のグラフの横軸は、［突起の長さｐ］／［空洞部の厚さｇ］、縦軸は、［突起配置位置ｄ１］／［中央部からエッジまでの距離ｄ０］を示している。この関係を基に第２の突起の配置位置ｄ１を決定できる。
本実施の形態１では、一例として、突起の長さｐは８０ｎｍ、空洞部の厚さｇは２００ｎｍ、メンブレンの中央部から、空洞部のエッジまでの距離ｄ０は１００μｍであるので、図６から、ｄ１は４０μｍとなり、突起２０６１から４０μｍのところに突起２０６２を配置してある。
【００５４】
突起２０６３の配置についても、同様の手法により決定できる。つまり、突起２０６２と、空洞部のエッジで支えられたメンブレンにおいて、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、メンブレンの下面２１５が、空洞部下面２１４に接触する場合は、接触部に突起２０６３を配置する。この場合も図６を用いて配置位置を決定できる。突起２０６２の位置ｄ１を決定した場合のｄ０が、突起２０６２と空洞部のエッジまでの距離ｄ０−ｄ１となり、ｄ１がｄ２−ｄ１に対応する。具体的には、突起の長さｐの８０ｎｍ、空洞部の厚さｇの２００ｎｍは変わらず、ｄ０が１００μｍ、ｄ１が４０μｍであるので、ｄ０−ｄ１が６０μｍとなり、ｄ２−ｄ１が２４μｍとなる。したがって、ｄ２は６４μｍとなり、突起２０６３はメンブレンの中央部の突起２０６１から６４μｍのところに配置する。
【００５５】
超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、突起２０６１、２０６２、２０６３が空洞部の下面と接触して、突起や空洞部のエッジの間のメンブレンの下面２１５が空洞部の下面２１４に接触しない場合は、さらなる突起を配置する必要はないが、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、突起２０６１、２０６２、２０６３が空洞部の下面と接触して、さらに、突起や空洞部のエッジの間のメンブレンの下面２１５が空洞部の下面２１４に接触する場合は、さらなる突起を同様の手順に従って配置すればよい。
【００５６】
以上、図３のＣ−Ｃ’断面である図５を用いて説明したが、他の断面でも同様の手法により突起を配置すればよい。また、図３に示すＣＭＵＴでは、上面から見て空洞部２０４の形状が６角形であるので、中心に対して６０度の回転対称となっており、メンブレンの中央に１個、メンブレンの中央から、空洞部のエッジに向かい、６角形の対角線上に２個配置すればよい。
【００５７】
このように、本実施の形態１の特徴は、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧と、メンブレンの下面が空洞部の下面に接触する電圧を比較することにより、絶縁膜の突起の配置の要否を決定し、かつ、図６の関係に従って突起の配置位置を決定した点にある。
【００５８】
この手法を用いることにより、配置する突起の数を必要最低限にすることができる。したがって、電極の配置を上面からみて絶縁膜の突起と重ならないように配置した場合（本実施の形態では、上部電極に開口部を設けて電極と絶縁膜の突起が重ならないように配置している）でも、上下電極の重なり部の面積が必要以上に小さくなることに起因するＣＭＵＴの駆動電圧の過度の上昇や、受信感度の低下を抑制できる。
【００５９】
なお、図６の関係に従って突起を配置する場合、図６の曲線によって規定される位置に正確に配置しなくても、図６で示されるメンブレンの下面が空洞部の下面に接触する点におけるメンブレン変位量の−１０％までの範囲の変位量となる点に配置すれば同様の効果が得られる。メンブレン変位量が−１０％までの範囲の変位量となる位置の範囲は、接触点位置をｄ１とすると、具体的には０．８ｄ1〜１．２ｄ1である。
また、図５の突起２０６２や２０６３のように、突起と空洞部のエッジで支えられたメンブレンの接触点に突起を配置する場合、図６の曲線によって規定される位置よりもメンブレン中央部寄りに突起を配置した方が、メンブレン下面が空洞下面に接触を抑制するためにはよい。
【００６０】
次に本実施の形態１の他の実施例を、図７および図８を参照して、説明する。図７は、ＣＭＵＴセルの上面図、図８は図７のＡ−Ａ’線で切断した断面を示す図である。
本実施例のＣＭＵＴセルは、図７に示すように、上面から見て、空洞部の形状が矩形であり、下部電極２０２と、下部電極２０２上に形成された空洞部２０４と、空洞部２０４に突き出て形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜の突起６０６１、６０６２、６０６３、６０６４と、空洞部２０４上に形成された上部電極２０７などを備えて構成される。２１１は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔２１１は、空洞部となる２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０７へ接続する開口部である。上部電極２０７と空洞部２０４の間に、空洞部２０４および下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０５が形成されており、下部電極と空洞部の間に、下部電極を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されているが、空洞部２０４、下部電極２０２を示すために図示していない。２０８は、上面からみて、上部電極２０７が突起６０６１、６０６２、６０６３、６０６４と重ならないように、上部電極２０７に設けた開口部である。
【００６１】
図８は図７のＡ−Ａ’線で切断した断面を示しており、下部電極２０２、下部絶縁膜２０３、空洞部２０４、上部絶縁膜２０５と絶縁膜の突起および上部電極２０７を抜き出して示した図である。その他の構成は、図４と同様である。絶縁膜の突起は、上面から見て、メンブレンの中心の突起（Ａ−Ａ’断面のＡ側）から、空洞部のエッジ（Ａ−Ａ’断面のＡ’側）に沿って、それぞれ、６０６１、６０６２、６０６３、６０６４と番号付けをしてある。
【００６２】
突起６０６１、６０６２、６０６３、６０６４を配置する手法は、図５、図６で説明した手法と同様である。まず、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、メンブレン中央部のメンブレンの下面２１５が、空洞部の下面２１４に接触する場合は、メンブレン中央部に突起６０６１を配置する。
【００６３】
さらに、メンブレン中央部の突起６０６１が空洞部２０４の下面２１４に接触し、突起６０６１と空洞部のエッジとで支えられたメンブレンにおいて、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、突起部下面を除いたメンブレンの下面２１５が、空洞部下面２１４に接触する場合は、接触部に突起６０６３を配置する。このときに、メンブレン中央部の突起６０６１から接触部までの距離、つまり６０６３を配置すべき位置ｄ１と、空洞部の厚さｇ、メンブレンの中央部から空洞部のエッジまでの距離ｄ０、突起の長さｐの間には、前記と同様に図６で示す関係があり、それを基にｄ１を決定できる。
【００６４】
次に、突起６０６４の配置の配置についても、同様の手法により決定できる。つまり、突起６０６３が空洞部２０４の下面に接触し、突起６０６３と空洞部のエッジとで支えられたメンブレンにおいて、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、メンブレンの下面２１５が、空洞部下面２１４に接触する場合は、接触部に突起６０６４を配置する。この場合も図６を用いて配置位置を決定できる。
【００６５】
さらに、突起６０６２についても、突起６０６１と６０６３が空洞部の下面に接触して、突起６０６１と６０６３により支えられたメンブレンにおいて、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧により、メンブレンの下面２１５が、空洞部下面２１４に接触する場合、接触部に突起６０６２を配置する。この場合は、突起６０６１と突起６０６３は同じ長さであり、つまり、突起長さｐと空洞厚さｇが同じになるので、図６の関係から、突起６０６１と６０６３の中間点でメンブレンの下面が空洞部下面に接触することになる。したがって、突起６０６２を突起６０６１と６０６３の中間点に配置すればよい。
【００６６】
図９は、上記の突起の配置の要否と配置位置を決める際の決定手順のフローである。各ステップで、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧Ｖ0と、突起部下面を除いたメンブレンの下面が空洞部下面に接触する電圧Ｖi（i＝1,2,3・・・k+1、kは最終的に設置される中央突起から端部突起までの数）を比較して、メンブレンの下面が空洞部の下面に接触するかを判定し、接触する場合は、接触点に突起を配置する。突起を配置する場合は、図６の関係を用いて、突起の配置位置を決定し、ＣＭＵＴの駆動電圧により、メンブレンの下面が空洞部の下面に接触を起こさなくなるまで、同様のフローにより突起を配置していく。
【００６７】
図７から図９で示した実施例では、突起６０６１から６０６４まで配置したが、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧が低くてもよい場合は、突起を配置する必要はなく、突起を全く配置しなくてもよいし、また、突起６０６１だけでもよいし、６０６１と６０６３だけでも良い。さらに、突起６０６４と６０６２の配置要否判断の順番も、両突起を配置する位置でのメンブレンの下面が空洞部の下面に接触する電圧の大小によって決まり、突起６０６２は配置する必要があり、突起６０６４は配置する必要が無い場合もあることは自明である。
【００６８】
また、突起の配置要否は、駆動電圧の安定性や、ＣＭＵＴ製造におけるメンブレンの接触電圧のバラツキを考慮する必要があることは言うまでもない。
【００６９】
このように、超音波診断装置によるＣＭＵＴの駆動電圧と、メンブレンの下面が空洞部の下面に接触する電圧を比較することにより、絶縁膜の突起の配置の要否を決定し、かつ、図６の関係に従って突起の配置位置を決定することにより、配置する突起の数を必要最低限にすることができる。したがって、電極の配置を上面からみて絶縁膜の突起と重ならないように配置した場合でも、上下電極の重なり部の面積が小さくなることに起因するＣＭＵＴの駆動電圧の過度の上昇や、受信感度の低下を抑制できる。
【００７０】
なお、本実施の形態１で示した突起は、メンブレンの下面から空洞部に突き出た構造となっているが、空洞部下面から突起が突き出た構造であっても、同様の効果が得られ、図９と図６に基づいて、突起を配置していけばよい。
【００７１】
さらに、本実施の形態１では、突起の長さがメンブレン内で同じとなっているが、ＣＭＵＴの駆動電圧によるメンブレンの変形量は、メンブレンの中央部が一番大きく、空洞部のエッジに近づくにしたがい小さくなるので、図１０に示すように、上面から見てメンブレンの中央部の突起は短くし、空洞部のエッジに近づくにつれて、長くなるようにしてもよい。このような配置にすることにより、メンブレンの振幅をさらに大きくすることができる。この場合も図９で示したフローで突起の配置要否が決定でき、また、図６で示した関係を用いて突起の配置を決定できる。
【００７２】
また、本実施の形態１で示した実施例では、上面から見て、電極と突起と重ならない構造として、上部電極に開口部を設ける場合を説明したが、上面から見て、突起が重なる下部電極に開口部を設ける場合でも同様であり、同様の手順にしたがって、突起の配置要否や突起の配置を決定し、突起の下層となる下部電極に開口部を形成した後に、下部電極の開口部に絶縁膜を埋め込んでから、空洞部やメンブレンなどを形成すればよい。
【００７３】
＜＜実施の形態２＞＞
前記実施の形態１では、ＣＭＵＴセル単体における突起配置の形態を示したが、本実施の形態２では、ＣＭＵＴセルをアレイ状に並べたトランスデューサの形態を示す。
【００７４】
図１１は矩形のＣＭＵＴセルをアレイ状に並べたチップの一部を示している。図３と同様に、下部電極２０２１、２０２２、２０２３と、下部電極２０２１、２０２２、２０２３上に形成された空洞部２０４と、空洞部２０４に突き出て形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜の突起２０６と、空洞部２０４上に形成された上部電極２０７などを備えており、２１１は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔２１１は、空洞部となる２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０７へ接続する開口部である。上部電極２０７と空洞部２０４の間に、空洞部２０４および下部電極２０２１、２０２２、２０２３を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０５が形成されており、下部電極２０２１、２０２２、２０２３と空洞部２０４の間に、下部電極２０２１、２０２２、２０２３を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されているが、空洞部２０４、下部電極２０２１、２０２２、２０２３を示すために図示していない。２０８は、上面からみて、上部電極２０７が突起２０６と重ならないように、上部電極２０７に設けた開口部である。図１１のＣＭＵＴセルの断面の膜構成は、図４で示す構成と同じである。
【００７５】
アレイにおいて、上部電極と下部電極はその配列方向が直交しており、１個の交点には２つのＣＭＵＴセルが配置され、それぞれの上部電極が配線１００１で結ばれている。図１１では上部電極がアジマス方向に４チャンネル分、下部電極がエレベーション方向に３チャンネル分のアレイを示しているが、超音波診断装置で使用する探触子では、例えば一般的なリニア探触子の場合、上部電極が１９２チャンネル並ぶことになる。
【００７６】
本実施の形態２の特徴は、図１１で示すように、エレベーション方向に分割された下部電極上のＣＭＵＴセルにおいて、それぞれの下部電極に対して絶縁膜の突起２０６の配置を変えたことにある。
【００７７】
図１１に示すようなエレベーション方向に分割された下部電極を持つトランスデューサの場合、それぞれの下部電極に印加する電圧を変えることで、上部電極と下部電極の各交点において送信、受信される超音波ビームの形状や強さを制御でき、診断画像の画質向上が望める。従って、ＣＭＵＴ駆動時に上下電極間に印加される電圧は、それぞれの下部電極に印加される電圧によって異なるが、各印加電圧の大きさに対応して、ＣＭＵＴセルの絶縁膜の突起を各下部電極上に配置すればよい。突起を配置する位置、配置する数は、前述した実施の形態１で示した突起配置方法により決定することができる。
図１１に示すトランスデューサでは、エレベーション方向のビーム幅を細くするために、中央に位置する下部電極２０２２への印加電圧を大きくして、下部電極２０２１、２０２３への印加電圧を小さくするので、下部電極２０２２に重なるＣＭＵＴセルの突起の配置数を７つ、下部電極２０２１、２０２３に重なるＣＭＵＴセルの突起の配置数を５つとしてある。このような構成とすることで、配置する突起の数を必要最低限にすることができ、したがって、電極の配置を絶縁膜の突起と上面からみて重ならないように配置した場合でも、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、受信感度の低下を招くことを抑制できる。
【００７８】
＜超音波診断装置の構成＞
最後に、図１２を参照しながら、本発明が適用される超音波診断装置の構成について説明する。図１２は、超音波診断装置の構成図である。
【００７９】
超音波診断装置１２０１は、超音波探触子１２０２、送受分離部１２０３、送信部１２０４、バイアス部１２０６、受信部１２０８、整相加算部１２１０、画像処理部１２１２、表示部１２１４、制御部１２１６、操作部１２１８から構成される。
【００８０】
超音波探触子１２０２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置であり、被検体との接触面に超音波トランスデューサ素子のアレイを備えている。超音波トランスデューサとして、本発明の超音波トランスデューサが採用されている。超音波探触子１２０２から超音波が被検体に送波され、被検体からの反射エコー信号が超音波探触子１２０２により受波される。送信部１２０４及びバイアス部１２０６は、超音波探触子１２０２に駆動信号を供給する装置である。
【００８１】
受信部１２０８は、超音波探触子１２０２から出力される反射エコー信号を受信する装置である。受信部１２０８は、さらに、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換等の処理を行う。
【００８２】
送受分離部１２０３は、送信時には送信部１２０４から超音波探触子１２０２へ駆動信号を渡し、受信時には超音波探触子１２０２から受信部１２０８へ受信信号を渡すよう送信と受信とを切換、分離するものである。
【００８３】
整相加算部１２１０は、受信された反射エコー信号を整相加算する装置である。
【００８４】
画像処理部１２１２は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像(例えば、断層像や血流像)を構成する装置である。
【００８５】
表示部１２１４は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。
【００８６】
制御部１２１６は、上述した各構成要素を制御する装置である。
【００８７】
操作部１２１８は、制御部１２１６に指示を与える装置である。操作部１２１８は、例えば、トラックボールやキーボードやマウス等の入力機器である。
本発明の超音波診断装置は、超音波探触子の超音波トランスデューサとして、上下電極間に必要最低限の数の突起を最適な配置で配置してなるトランスデューサを用いたことを特徴としており、駆動電圧によって生じる実効的電界の低下を防止し、送受信感度を向上する等の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の超音波トランスデューサや超音波診断装置は、医療や構造物の診断装置として幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０１，２０２，２０２１，２０２２，２０２３・・・下部電極
１０２，２０４・・・空洞部
１０３，２０１，２０９，２１０・・・絶縁膜
２００・・・半導体基板
２０３・・・下部絶縁膜
２０５・・・上部絶縁膜
１０４，２０７・・・上部電極
１０５・・・メンブレン
１０６・・・メンブレンの下面
１０７，２１４・・・空洞部の下面
１０８・・・メンブレン中心の１個目の突起
１０９・・・ｎ個目の絶縁膜の突起
１１０・・・ｎ＋２個目の絶縁膜の突起
１１１・・・ｎ＋４個目の絶縁膜の突起
２０６，２０６１，２０６２，２０６３，６０６１，６０６２，６０６３，６０６４・
・・  絶縁膜の突起
２０８・・・上部電極の開口部
２１１・・・ウェットエッチング孔
２１２・・・下部電極への開口部
２１３・・・上部電極への開口部
２１５・・・突起部下面を除いたメンブレンの下面
４０１・・・メンブレン下面と空洞部下面の接触点
１００１・・・上部電極を結ぶ配線
１１０１・・・ＣＭＵＴチップ
１２０１・・・超音波診断装置
１２０２・・・超音波探触子
１２０３・・・送受分離部
１２０４・・・送信部
１２０６・・・バイアス部
１２０８・・・受信部
１２１０・・・整相加算部
１２１２・・・画像処理部
１２１４・・・表示部
１２１６・・・制御部
１２１８・・・操作部
【図１】
0005409784.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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